热喷涂技术 、热喷焊与堆焊

点击数：1280发布时间：2015-05-05 08:24:50　

热喷涂技术
热喷涂 用专用设备把某种固体材料熔化 熔化并使其 用专用设备把某种固体材料熔化并使其 雾化，加速喷射到机件表面， 喷射到机件表面 雾化，加速喷射到机件表面，形成一特制薄 以提高机件耐蚀、耐磨、 层，以提高机件耐蚀、耐磨、耐高温等性能 的一种工艺方法。 

1.1 热喷涂技术
喷涂过程

喷涂材料的熔化 喷涂材料的雾化 喷涂材料的飞行 粒子的冲击、凝固

1.1 热喷涂技术
涂层的形成及结构


1.1 热喷涂技术
涂层的形成及结构

粒子在碰撞基体表面，形成扁平状粒子，且迅速凝 粒子在碰撞基体表面，形成扁平状粒子， 固成涂层； 固成涂层； 在凝固冷却的0.1s中，此扁平状涂层继续受环境和热 气流影响； 每隔0.1s第二层薄片形成，逐渐形成层状结构的涂层。

1.1 热喷涂技术
喷涂层结构示意图

涂层是由无数变 形粒子相互交错 呈波浪式一层一 层堆叠而成的层 状结构。

1.1 热喷涂技术
典型的热喷涂层的金相组织照片

图6-5 Ni-Cr-B-Si火焰喷涂组织 火焰喷涂组织

1.1 热喷涂技术
涂层残余应力

残余应力与喷涂工艺 条件、涂层及基材的物 理性质有关； 随涂层厚度的加大而 增加； 适当的预处理如粗化， 以使应力分散。

1.1 热喷涂技术
涂层的结合机理 机械结合：熔融态的粒子撞击到基材表面后 铺展成扁平状的液态薄层，嵌合在起伏不平 的表面。 冶金结合：涂层与基体表面出现互扩散或形 成微区的冶金反应。 物理结合：当高速运动的熔融粒子撞击基体 表面后，若界面两侧紧密接触的距离达到原 子晶格常数范围内时，产生范德华力。

1.1 热喷涂技术
熔融粒子撞击表面的吉布斯自由能降低：

?G = ?G表面 ? T接触 ?Ss + ?H s

?G ?G表面 = γ AB ? (γ A + γ B )

提高涂层结合强度的方法： 材料A、B表面越干净，表面接触面积越大，?G表面 越小，结合强度越高； 提高接触温度，使?G更小，结合强度高； 当沉积过程中发生扩散或冶金反应时，?Hs变小， 也会使?G更小，结合强度提高。

1.1 热喷涂技术
热喷涂技术的特点 取材（热喷涂材料）范围广 ； 可用于各种基体 ； 可使基体保持较低温度，基材变形小 ； 工效高 ； 被喷涂物件的大小一般不受限制 ； 涂层厚度容易控制 ； 成本低，经济效益显著。 结合力低，孔隙率较高，均匀性差，热效率低，操 作环境较差。

1.1 热喷涂技术
热喷涂的分类

图6-7 热喷涂的分类

1.1 热喷涂技术

图6-8 主要传统喷涂方法的粒子速度及焰流温度

1.1 热喷涂技术

图6-9 主要热喷涂方法在不同时期的应用比例

1.1 热喷涂技术
热喷涂材料的分类 按照喷涂材料的形状可分为： 线材

粉末

1.1 热喷涂技术
热喷涂材料的特点 热稳定性好 使用性能好 润湿性好 固态流动性好（粉末） 热膨胀系数合适

1.1 热喷涂技术
热喷涂线材 ? 非复合线材 ：只含一种金属或合金的材料 制成的线材 ； ? 复合喷涂线材 ：把两种或两种以上的材料 复合而制成的喷涂线材 。

1.1 热喷涂技术
喷涂用粉末 ? 非复合喷涂粉末：每个粉粒仅由单一的成分 组成； 金属及合金粉末、陶瓷粉末、塑料粉末 ? 复合喷涂粉末：由两种或更多种金属和非金 属固体粉末混和而成。 包覆型粉末、组合型粉末

1.1 热喷涂技术
包覆型粉末：由一种或几种成分作为外壳，均匀连 包覆型粉末 续或星点间断地包覆由一种或几种成分组成的核心 的粉体。 组合型粉：由不同相混杂而成的颗粒，没有核壳之 组合型粉 分。

图6-10 复合型粉末结构示意图

1.1 热喷涂技术
火焰类喷涂 火焰喷涂 爆炸喷涂 超音速火焰喷涂

1.1 热喷涂技术
火焰类喷涂热源——燃气火焰 火焰类喷涂热源 燃气和助燃气体氧在点火燃烧时产生热量和 一定速度的气流。
表6-1 几种常用的燃气与氧组分燃烧的热特 性

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燃气火焰的分类 中性焰：即乙炔在氧中充分燃烧。适宜于喷涂 金属材料；

图6-11 中性焰

1.1 热喷涂技术
还原焰：即乙炔相对氧气的比例偏大。会提高涂 层碳含量且喷涂效率低；

图6-12 还原焰

1.1 热喷涂技术
氧化焰：即氧气相对乙炔的比例偏大。适宜于 喷涂陶瓷材料。

图6-13 氧化焰

1.1 热喷涂技术
火焰喷涂 线材火焰喷涂法 粉末火焰喷涂

1.1 热喷涂技术
线材火焰喷涂法 ：把金属线以一定的速度送进 喷枪里，使端部在高温火焰中熔化，随即用压 缩空气把其雾化并吹走，沉积在预处理过的工 件表面上。 典型线材火焰喷涂装置： 压缩空气供给系统 氧-乙炔供给系统 送丝机构 喷枪
图6-14 一套完整的线材火焰喷涂装置

1.1 热喷涂技术
线材火焰喷涂法

图6-15 线材火焰喷涂的原理示意图

1.1 热喷涂技术
粉末火焰喷涂法：用少量气体将喷涂粉末输送到喷
枪的喷嘴前端，通过燃气加热、熔化并加速喷涂到 基体表面。

图6-16 粉末火焰喷涂的原理示意图

1.1 热喷涂技术
粉末火焰喷涂法

图6-17 粉末火焰喷涂的典型装置

1.1 热喷涂技术
火焰喷涂的特点：应用非常灵活，可喷涂金 属、陶瓷、塑料等；喷涂设备轻便简单，可 移动；设备价格低，经济性好。 不足：喷出颗粒速度较小，火焰温度较低， 涂层强度较低，气孔率高，容易氧化。

1.1 热喷涂技术

1.1 热喷涂技术
爆炸喷涂：将氧气和乙炔输送到枪管内，同时加入 爆炸喷涂 喷涂粉末，利用氧气和乙炔气点火燃烧，造成气体 膨胀而产生爆炸，释放出热能和冲击波，热能使喷 涂粉末熔化，冲击波则使熔融粉末以700～800m/s 的速度喷射到工件表面上形成涂层。

图6-18 爆炸喷涂原理图

1.1 热喷涂技术
爆炸涂层的特点 涂层和基体的结合强度高； 涂层致密，气孔率很低； 涂层表面加工后粗糙度低； 工件表面温度低。 不足：设备价格高，噪音大，容易氧化，效 率很低，成本较高。

1.1 热喷涂技术
超音速火焰喷涂：燃料气体与助燃剂以一定的比例 超音速火焰喷涂 导入燃烧室内混合，爆炸式燃烧，因燃烧产生的高 温气体以高速通过膨胀管获得超音速。同时通入送 粉气，定量沿燃烧头内碳化钨中心套管送入高温燃 气中，一同射出喷涂于工件上形成涂层。

图6-19 超音速火焰喷涂枪

1.1 热喷涂技术
超音速喷涂法的特点 火焰温度低，粒子飞行速度快，所以粉末被氧化程度低 ； 粉粒尺寸小，分布范围窄； 涂层结合强度、致密度高，无分层现象； 涂层表面粗糙度低； 喷涂距离可在较大范围内变动，而不影响喷涂质量； 残余应力也得到改善，可得到比爆炸喷涂更厚的涂层； 喷涂效率高，操作方便； 噪音大（大于120dB），需有隔音和防护装置，成本高。

1.1 热喷涂技术

在钢表面上的WC-17Co涂层金相照片 图6-20 在钢表面上的 涂层金相照片 a——采用大气等离子喷涂法制作；b_用超音速火焰喷涂制作 采用大气等离子喷涂法制作； 用超音速火焰喷涂制作 采用大气等离子喷涂法制作

1.1热喷涂技术
电弧类喷涂 电弧喷涂 等离子喷涂

1.1 热喷涂技术
电弧：两电极间串接上一个电阻，通上一定的 电压，在先短路接触然后拉开适当的距离就会 在两极间产生持久放电的现象，这就是电弧。

图6-21 电弧各区的电压分布 UA——阳极电压降；UK——阴极电压降； 阳极电压降； 阴极电压降； 阳极电压降 阴极电压降 UC——弧柱电压降；US——电弧电压 弧柱电压降； 弧柱电压降 电弧电压

1.1 热喷涂技术

图6-22 电弧电压特性 a——弧长一定；b——电流一定；L1——弧长 ；L2——弧长 弧长一定； 电流一定； 弧长1； 弧长2 弧长一定 电流一定 弧长 弧长

1.1 热喷涂技术
等离子弧：当电弧（等离子体）被压缩成为具有 更高温度的压缩电弧时，称之为等离子弧。

图6-23 等离子弧的形式 a——非转移弧；b——转移弧；c——联合型弧 非转移弧； 转移弧； 非转移弧 转移弧 联合型弧

1.1 热喷涂技术
等离子体的形成
N2＋Ud——>N＋N，其中 Ud为离解能 N＋Ui——>N＋＋e，其中 Ui为电离能

图6-24 等离子体发生过程示意图

1.1 热喷涂技术

图6-25 等离子焰流温度分布

1.1热喷涂技术
等离子弧的特点 温度高 可控性好 稳定性好

1.1 热喷涂技术
电弧喷涂 ：在两根焊丝状的金属材料之间产生 电弧，因电弧产生的热使金属焊丝逐渐熔化， 熔化部分被压缩空气气流喷向基体表面而形成 涂层。

图6-26 电弧喷涂原理示意图

1.1 热喷涂技术

图6-27 涂层结合强度比较

1.1 热喷涂技术
电弧喷涂的优点： 电弧喷涂的优点： 比较轻便，易于现场操作； 在不提高工件温度又不使用打底层的情况下 可以获得较高的结合强度； 生产效率较高，能源利用率达60%~70%； 成本低，安全。 不足：喷涂材料必须是导电的焊丝。

1.1 热喷涂技术
等离子喷涂： 等离子喷涂：将惰性气体通过喷枪体正负两极间的 直流电弧，被加热激活后产生电离而形成温度非常 高的等离子焰流，将喷涂材料加热到熔融或高塑性 状态，被高速喷射到预先处理好的工件表面形成涂 层。 。

图6-28 等离子喷涂原理

1.1 热喷涂技术

图6-29 等离子喷涂原理图 a——内送粉式； b——外送粉式 内送粉式； 内送粉式 外送粉式

1.1 热喷涂技术
等离子喷涂的特点： 超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂； 喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高； 由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材 料不易氧化。

1.1 热喷涂技术
等离子喷涂设备 喷枪 电源 送粉器 热交换器 供气系统 控制框

1.1 热喷涂技术

1.1 热喷涂技术
等离子喷涂工艺影响因素 等离子气体 电弧的功率 供粉 喷涂距离和喷涂角 喷枪与工件的相对运动速度 基体温度

1.1 热喷涂技术
电热法 ：用电流通过电阻时产生的热源来 加热喷涂材料。 电爆喷涂：在线材两端通以瞬间大电流，使 线材熔化并发生爆炸。 感应加热喷涂：采用高频涡流把线材加热， 然后用高压气体雾化并加速的喷涂方法。 电容放电加热：利用电容放电把线材加热， 然后用高压气体雾化并加速的喷涂方法。

1.1 热喷涂技术
激光法： 激光法： 把高密度能量的激 光束朝着接近于基体表 面的方向直射，同时将 面的方向直射， 粉末以倾斜的角度被吹 送到激光束中熔化粘结 到基体表面， 到基体表面，形成了一 层薄的表面涂层， 层薄的表面涂层，与基 体之间形成良好的结合。 体之间形成良好的结合。

图6-30 激光喷涂

1.1 热喷涂技术

图6-31 激光喷涂用喷嘴结构示意图

1.1 热喷涂技术
喷涂涂层的制备

图6-32 热喷涂工艺流程图

1.1热喷涂技术
表面预处理 表面净化处理：去除待喷涂表面的油污、氧 化物、油漆及其他污物。 粗化处理：在净化后的基体表面形成均匀凹 凸不平的粗糙表面，并使涂层产生压应力。

1.1 热喷涂技术
喷涂工艺 优化目的：保证被喷涂的材料粒子都能进入 焰流中并被加热到熔融或半熔融状态，以高 速射向基体并均匀沉积在基体上形成致密的 与基体有良好结合的涂层。

1.1 热喷涂技术
热源参数：直接影响喷涂材料的熔化状况。 1. 火焰能率取决于燃气和氧气的流量； 2. 电弧喷涂的热功率由电弧电压和电流决定； 3. 等离子弧取决于喷枪的输入功率、等离子气 的种类、流量和压力。

1.1 热喷涂技术
电弧喷涂的喷涂速率(kg/h) 表6-2 电弧喷涂的喷涂速率

1.1 热喷涂技术
表6-3 氧化铝用等离子喷涂在不同热源参数下的喷涂速率和沉积效率

1.1热喷涂技术
喷涂材料的送进量 1. 太大：沉积率降低，涂层质量下降； 2. 太小：喷涂速率下降，成本增加。

1.1 热喷涂技术
雾化参数 1. 压力和流量过大，会干扰热源，影响热源的 温度和稳定性； 2. 压力和流量过小，雾化颗粒过大，影响涂层 质量。

1.1热喷涂技术
操作参数 1. 喷涂距离：过长则离子到达基体时的温度及速 率均会过低，颗粒沉积不上去，且粒子被氧化 程度提高；过短则粒子在焰流中停留时间过短， 未能充分加热和加速。 2. 喷涂角度：一般为60°~90°。 3. 喷枪和工件的相对移动速度：一般为7~18m/min。

1.1 热喷涂技术
工件温度的控制 1. 预热：在70~150℃区间； 2. 冷却：防止过热。

1.1 热喷涂技术
喷涂气氛的控制 1. 为避免氧化而在保护性气氛或真空中进行； 2. 对一些要求组织结构致密，孔隙度小的涂层 要注意除尘。

1.1 热喷涂技术
涂层的后处理 封孔处理：提高抗蚀性；
表6-4 封孔剂类别及材料

1.1 热喷涂技术
涂层精加工 特点： 1. 切削过程中注意冷却； 2. 不能承受过大的切削力； 3. 要精心操作。

1.1 热喷涂技术
热喷涂技术的工业应用 在航空工业中的应用

图6-33 航空发动机中应用热喷涂涂层的部分部件

1.1 热喷涂技术
在现代钢铁工业中的应用

图6-34 正在喷涂处理的沉没辊

1.1热喷涂技术
在能源工业中的应用

图6-35 电厂锅炉管的现场喷涂

1.1 热喷涂技术
在纺织工业中的应用

图6-36 采用热喷涂涂层的部分纺织机械零部件

1.1热喷涂技术
在汽车工业中的应用

图6-37 汽车中热喷涂部件示例

1.1 热喷涂技术
人工种植体生物功能应用

图6-38 各种人工骨

图6-39 各种人工齿根

1.2热喷焊和堆焊
热喷焊原理 采用热源将涂层材料在基体表面重新熔 化或部分熔化，并凝结于基体表面，形成与 基体具有冶金结合的表面层，把这种表面冶 金强化方法称为热喷焊，也称为熔结。

1.2 热喷焊和堆焊
热喷焊的特点 组织致密，冶金缺陷很少，与基体结合强度高； 所用材料范围窄； 基材的变形比热喷涂大得多； 热喷焊层的成分与原始成分有一定差别。

1.2热喷焊和堆焊
热喷焊工艺 火焰喷焊 等离子喷焊 真空熔结 激光熔覆

1.2 热喷焊和堆焊
火焰喷焊：火焰喷涂 火焰喷焊 形成后或先在基体表 面喷粉，再对涂层用 火焰直接加热，使涂 层在基体表面重新熔 化，基体的表面完全 润湿，界面有相互的 元素扩散，产生牢固 的冶金结合。

图6-40 高速火焰喷枪

1.2热喷焊和堆焊
等离子喷焊：采用等离子 等离子喷焊 弧作为热源加热基体，使 其表面形成熔池，同时将 喷焊粉末材料送入等离子 弧中，粉末在弧柱中得到 预热，呈熔化或半熔化状 态，被焰流喷射至熔池后， 充分熔化并排出气体和熔 渣，喷枪移开后合金熔池 凝固，形成喷焊层的工艺 过程。

1.2 热喷焊和堆焊
真空熔结：在一定的真空条件下迅速加热金 真空熔结 属表面的涂层，使之熔融并润湿基体表面， 通过扩散互熔而在界面形成一条狭窄的互熔 区，然后涂层与互熔区一起冷凝结晶，实现 涂层与基体之间的冶金结合。

1.2 热喷焊和堆焊
堆焊原理： 堆焊原理 将具有一定使用性能的材料（线材或焊 条）借助一定的热源手段熔覆在基材表面， 使基体表面具有耐磨、耐蚀、耐热等特殊性 能或使零件恢复原有形状尺寸的工艺方法。

1.2 热喷焊和堆焊
火焰堆焊：用气体火焰作热源使填充金属熔敷在基 火焰堆焊 体表面的一种堆焊方法； 手弧堆焊：手工操纵焊条，用焊条和基体表面之间 手弧堆焊 产生的电弧作热源，使填充金属熔覆在基体表面的 一种堆焊方法； 埋弧堆焊：用焊剂层下连续送进的可熔化焊丝和基 埋弧堆焊 体之间产生的电弧作为热源，是填充金属熔敷在基 体表面的一种堆焊方法； 等离子弧堆焊：利用等离子体弧作热源，使填充金 等离子弧堆焊 属熔敷在基体表面的堆焊方法

表6-5 几种堆焊方法特点比较

堆焊方法

稀释率 （%）

熔敷速度 （kg/h）

堆焊方法

稀释率 （%）

熔敷速度 （kg/h）

埋弧堆焊

单丝 多丝 串联电弧 单带极 多带极

30～60 15～25 10～25 10～20 8～15

4.5～11.3 11.3～27.2 11.3～15.9 12～36 22～68

等离子弧 堆焊

自动送粉 手工送丝 自动送丝 双热丝

5～15

0.5～6.8 0.5～3.6 0.5～3.6 13～27

带极电渣堆焊

熔化极气体保护电弧 堆焊其中：自保护电 弧堆焊 10～14 15～7

10～40 15～40

0.9～5.4 2.3～11.3